Топливо



Материал из ТеплоВики - энциклопедия отоплении

Перейти к: навигация, поиск

Топливо - это горючее вещество, выделяющее при сжигании значительное количество теплоты, которая используется непосредственно в технологических процессах и для обогрева, либо преобразуется в другие виды энергии.

В промышленной энергетике и коммунально-бытовом секторе для получения тепла используется, как правило, химическая энергия, содержащаяся в органической массе ископаемого топлива. Исключением являются электронагревательные приборы, солнечные коллекторы и геотермальные установки, использующие электроэнергию, энергию солнца и тепло земных недр. Преобразование химической энергии в тепловую происходит в результате процесса горения. А сейчас рассмотрим, какие виды топлива применяются обычно в теплоэнергетике.

Итак, все виды органического топлива можно разделить по агрегатному состоянию на газообразные, жидкие и твердые, а по происхождению - на природные и искусственные. Основная характеристика любого топлива - теплота сгорания, то есть количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива.

Для определения теплоты сгорания отдельного вида топлива используется калориметр.

Основная статья: Калориметр

Полученная теплота сгорания называется высшей теплотой сгорания (Qsr) этого вида топлива и выражается в ккал/кг для твердых и жидких видов топлива, или в ккал/м3 для газообразного топлива.

Определенное в данном случае количество тепла включает и тепло конденсации влаги, которая изначально была в топливе, а также образовалась в процессе горения содержащегося в горючем водорода и осталась на дне меньшего сосуда. Взвесив это количество воды и умножив результат на количество тепла, требуемое для испарения 1 кг воды (638 ккал), получаем количество тепла, необходимое для испарения всей образовавшейся воды. Вычитая из высшей теплоты сгорания количество тепла, необходимое для испарения всей образовавшейся воды (вычисленное, как описано выше), получаем значение низшей теплоты сгорания (Qir). Именно это значение используется обычно во всех теплотехнических расчетах, поскольку при сжигании топлива в традиционных котлах, печах и нагревательных установках пары воды не конденсируются, а уносятся с продуктами горения и, следовательно, тепло конденсации безвозвратно теряется. Дело в том, что образующийся в газоходах котла конденсат из-за растворенного с нем СO2 создает агрессивную среду. Поэтому изготовители водогрейных котлов (вплоть до последнего времени), стараясь предотвратить возможную межкристаллическую коррозию поверхностей нагрева из обычной стали или чугуна, не снижали температуру дымовых газов до такого уровня, при котором начинается конденсация паров Н20. При этом в котлах, сжигающих природный газ, терялось более 10% тепла, а при сжигании жидкого топлива - почти 6% тепла, если вести расчет по высшей теплоте сгорания.

Только в последние годы появились водогрейные котлы, в которых применение коррозионностойких и нержавеющих сталей позволило конденсировать водяные пары. В таких котлах удается использовать скрытую теплоту парообразования, в результате чего экономичность котлов при расчете КПД по низшей теплоте сгорания иногда оказывается выше 100%.

Для сопоставления различных видов топлива используется понятие «условное топливо». В качестве единицы условного топлива принимается 1 кг твердого топлива, теплота сгорания которого равна 29,3 МДж (7000 ккал). За рубежом используют понятие «1 тонна нефтяного эквивалента» - 42,2 ГДж (примерно 10 Гкал).

Содержание

Газообразное топливо

Газообразное топливо - это прежде всего природный газ. На долю России приходится примерно 1/3 всех разведанных запасов природного газа, поэтому на большей части нашей территории (Европейская часть, Западная Сибирь, Урал и др.) в крупных городах газ доступен, а цена его (с учетом высоких потребительских качеств) сравнительно невысока.

Природный газ состоит, главным образом, из метана СН4, а также небольшого количества более тяжелых углеводородов этана С2Н6, пропана С3H8, бутана С4H10 и др.

Газ некоторых месторождений, кроме углеводородов содержит и другие горючие компоненты: водород Н2 и оксид углерода СО. Из негорючих компонентов в состав газа входят азот N2 и диоксид углерода СО2.

В табл 1 приведены технические характеристики природного газа из нескольких месторождений Российской Федерации.


Таблица 1. Состав и плотность газов основных газовых месторождений.

Месторождение Состав, % Плотность ρ, кг/м3
CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 + Высшие N2 CO2 H2
Уренгойское(верхний мел) 98,4 0,1 - - - 1,2 0,3 - 0,728
Ямбургское 98,6 0,1 - - - 1,2 0,1 - 0,725
Заполярное 99,3 0,1 - - - 0,4 0,2 - 0,722
Медвежье 97,3 1,0 0,1 0,1 0,1 0,5 0,5 - 0,735
Оренбургское 83,77 4,6 1,64 0,81 1,88 4,94 0,87 1,49 0,880
Шебелинское 92,07 3,26 0,59 0,18 0,6 1,3 2,0 - 0,796
Завардинское 89,54 3,8 0,94 0,42 0,38 1,87 - 3,05 0,806
Астраханское 90,48 2,07 0,99 1,75 0,61 3,45 0,65 - 0,823

При добыче нефти, как правило, приходится иметь дело с попутными газами, в которых значительно меньше СН4, но зато количество тяжелых углеводородов составляет уже десятки процентов. Количество и качество попутного газа зависят от состава сырой нефти и ее стабилизации на месте добычи (только стабилизированная нефть считается подготовленной для дальнейшей транспортировки по трубопроводам или в танкерах).

Кроме природных и попутных газов, в промышленности иногда используются различные искусственные газы. На предприятиях металлургической промышленности (доменное производство и коксовые печи) образуется большое количество низкокалорийного доменного газа (Qri = 4,0-5,0 МДж/м3) и среднекалорийного коксового газа (Qri = 17-19 МДж/м3), содержащего Н2, СН4, СО и другие горючие газообразные компоненты.

В некоторых странах, не столь богатых природным газом, как Россия, существует целая отрасль промышленности, занятая производством генераторных газов, часто называемых синтез газами. Разработаны методы и создано оборудование для получения удобного при использовании в быту топлива путем газификации твердого органического топлива: угля, сланцев, торфа, древесины. В случае применения в качестве окислителя обычного воздуха получают низкокалорийный (3-5 МДж/м3) газ, а газификация на кислородном дутье позволяет получить среднекалорийный газ с Qri = 16-17 МДж/м3. Такой газ, в отличие от низкокалорийного, можно применять не только на месте получении, но и транспортировать на некоторое расстояние. Состав генераторного газа определяют исходное топливо и технология его газификации.

Однако в условиях российской действительности, при сравнительно низких ценах на природный газ, все виды генераторного газа оказываются неконкурентоспособными по сравнению с природным. Тем не менее в некоторых случаях (при отсутствии вблизи объекта газовых магистралей или необходимости утилизировать содержащие органические вещества отходы производства) практикуют установку газификаторов с воздушным или паровоздушным дутьем для получения газовой смеси, содержащей H2 СО и небольшое количество углеводородов, что позволяет обеспечить газообразным топливом отопительные котлы с и высоким КПД.

Сжиженный газ

Основная статья: Сжиженный газ

Во второй половине прошлого века в промышленном масштабе было налажено производство сжиженного природного газа (СПГ) - фактически нового вида топлива, которое на первой и последней стадиях своего существования является газом, но при транспортировке и хранении ведет себя как жидкое топливо (обеспечивая тем самым широкий рынок для реализации на огромных территориях, куда невозможно или нецелесообразно прокладывать газовую магистраль). Получается СПГ путем сжижения природного газа за счет охлаждения его до температуры ниже -160 °С. После регазификации на месте потребления СПГ не теряет свойств, характерных для обычного природного газа, т.е. имеет такую же теплоту сгорания, как исходный природный газ: 48.1 МДж/м3. При давлении 0,6 МПа, которое является рабочим при транспортировке и хранении СПГ его плотность составляет 385 кг/м3. Понятно, что при такой температуре хранить и перевозить СПГ приходится в специальных (криогенных) емкостях. Стоимость таких установок достаточно высока, однако цена сжиженного природного газа существенно ниже стоимости аналогичного продукта - сжиженного углеводородного газа, более известного под названием пропан-бутановой смеси.


Таблица 2. Состав и плотность промышленных газов.

Топливо - Газ Состав газа по объему, % Теплота сгорания QRI, МДж/м3 Плотность ρ, кг/м3
CH4 N2 CO2 O2 CO H2 Непредельн. углеводород
Доменных печей 0,3 55,0 12,5 0,2 27,0 5,0 - 3,78 1,194
Коксовых печей 25,5 3,0 2,4 0,5 6,5 59,8 2,3 16,96 0,424

Сырьем для получения пропан-бутановых смесей, широко используемых в жилищно-бытовом секторе, является главным образом попутный газ нефтедобычи. Другой источник сжиженного газа - нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ), на которые поступает сырая нефть, содержащая сжиженные нефтяные газы. В процессе дистилляции они улавливаются, причем их выход составляет 2-3 % объема перерабатываемой нефти. Теплота сгорания этого топлива и другие его характеристики зависят от соотношения между содержанием бутана и пропана.

В табл. 3 приведены основные характеристики пропан-бутановой смеси и еще нескольких видов газообразного топлива, на которые обычно рассчитывают свои горелки европейские поставщики водогрейных котлов на российский рынок.

Таблица 3. Характеристики некоторых видов газообразного топлива, используемых в Европе. Таблица 3.JPG

Горение газообразного топлива

Основная статья: Горение

Жидкое топливо

Жидкое топливо - это продукты переработки сырой нефти. В водогрейных котлах небольшой мощности сжигают обычно дизельное топливо, солярку или легкие сорта мазута. В крупных водогрейных котлах, устанавливаемых на районных станциях теплоснабжения, допускается применение более тяжелых сортов топочного мазута (марки М40 и М100). На нефтепромыслах в качестве топлива для котлов иногда используют отбензиненную сырую нефть.

Качество жидкого топлива определяется составом исходной сырой нефти, а также технологией ее переработки на нефтеперерабатывающем заводе. Основная характеристика жидкого топлива, определяющая условия его транспорта и сжигания - вязкость. Характеристики вязкости различных видов жидкого топлива представлены на диаграмме (рис.1).

Рис. 1. Характеристики вязкости различных видов жидкого топлива.

Горение жидкого топлива

На процесс сжигания жидкого топлива влияют и другие характеристики: зольность, содержание влаги и, особенно, содержание серы. Важное значение имеют также температура вспышки и температура застывания. Теплота сгорания различных марок жидкого топлива составляет, как правило, 39,8-41,9 МДж/кг (9500-10000 ккал/кг).

С точки зрения обеспечения надежной работы топливной аппаратуры и котельной установки в целом, самое подходящее жидкое топливо, безусловно, - дизельное, теплота сгорания которого - 10 180 ккал/кг. В большинстве его видов практически нет механических примесей, а содержание серы даже в тяжелых марках дизельного топлива не превышает 0,5 %. Благодаря этому не возникает проблем с коррозией поверхностей нагрева котлов и загрязнением атмосферы сернистым ангидридом. Очень важные достоинства дизельного топлива - низкая температура застывания и хорошее распыливание в топках водогрейных котлов.

В некоторых европейских странах все виды котельного топлива делят на дистилляционные (в российской практике - печное топливо) и остаточные (мазут). Печное топливо получают при термическом и каталитическом крекинге нефтепродуктов. Оно применяется главным образом для отопления зданий, а также на железнодорожном транспорте и в промышленности. В Великобритании печное топливо называют «бытовым», во Франции - «легким», в США - «форсуночным». Деление печного топлива на сорта производится в зависимости от его вязкости, которая во многом определяет назначение топлива и наиболее подходящий тип форсунки.

Вполне пригодны для использования в небольших отопительных котлах и легкие сорта мазута, в первую очередь - флотские: Ф5 и Ф12. К важным достоинствам этих марок жидкого топлива можно отнести невысокую вязкость: у Ф5, например, при температуре 50 °С она не превышает 5 градусов условной вязкости (°ВУ}. Кроме того, флотские мазуты отличаются низкими температурой застывания (-5°С), зольностью (не более 0.1 % по массе) и высокой теплотой сгорания (QRI = 41,3 МДж/кг).

Топочные мазуты, в отличие от флотских, являются тяжелыми крекинг-остатками или их смесями с мазутами прямой перегонки. Помимо высокой вязкости и плюсовой температуры застывания, в топочных мазутах допускается более высокое содержание механических примесей, серы и воды. Все это создает существенные трудности при хранении и сжигании топочных мазутов в водогрейных котлах малой мощности.

В табл. 4 приведены основные характеристики жидких топлив, на которые рассчитаны горелки и котлы поставщиков оборудования из Европы.


Таблица 4. Характеристики различных видов топлива.

Характеристика Виды жидкого топлива
Бензин Керосин EL S (серы - до 2,5%) SA (серы - до 1%) Мазут
Теплота сгорания высшая, МДж/кг 47,33 46,27 45,76 42,76 43,38 39,46
Теплота сгорания низшая, МДж/кг 44,20 43,20 42,82 40,38 40,94 37,90
Плотность при 15°С, г/мл 0,73 0,81 0,84 0,99 0,96 1,04
Температура воспламенения, °С >21 >40 70 120 120 90
Вязкость, мм2/c:
при 20°С
при 50°С
при 100°С
0,7
-
-
1,8
-
-
5,0
2,6
-
-
300
30
-
200
25
5,0
2,0
-
Состав (в % по массе):
углерод (C)
водород (H)
сера (S)
85,6
14,35
0,05
86,06
13,84
0,10
86,44
13,37
0,19
86,63
10,87
2,50
87,61
11,19
1,00
93,0
6,8
0,2
Объемы воздуха и продуктов сгорания при α = 1,0 м3/кг:
теоретическое количество воздуха
сухие дымовые газы
влажные дымовые газы
11,42
10,86
12,12
11,30
10,53
11,97
11,22
10,46
11,86
10,65
10,04
11,17
10,79
10,16
11,33
9,88
9,52
10,27

Твердое топливо

В тех регионах, где природный газ отсутствует, а использование жидкого топлива оказывается неприемлемым по финансовым соображениям, можно встретить водогрейные котлы на твердом топливе. К нему относятся различные виды угля (каменный, бурый, антрацит), а также торф, сланцы и различные виды отходов (как промышленных, так и твердых бытовых отходов - ГБО). По организации топочного процесса к этой группе топлива принадлежит и биотопливо, т.е. древесина, отходы лесозаготовки, деревопереработки, целлюлозно-бумажного и сельскохозяйственного производства.

Качество твердого топлива, поставляемого для коммунально-бытовых нужд, регламентируется специальными ГОСТами. Как правило, запрещается использовать для этой цели рядовой, не сортированный уголь. Так, например в отношении углей Кузнецкого бассейна ГОСТ предусматривает, что для коммунально-бытовых нужд должны поставляться неиспользуемые для коксования угли марок Д (длинно-пламенный), Г (газовый), Ж (жирный), К (коксовый), СС (слабо спекающийся) и Т (тощий). Угли должны поставляться грохоченными классов 50-100, 25-50 и 13-25 мм. Для большинства угольных бассейнов ограничивается максимальная зольность угля, которым можно снабжать отопительные котлы систем автономного теплоснабжения. Теплота сгорания и другие характеристики угля меняются в широком диапазоне даже для одного и того же угольного бассейна.

В последние годы проблему отопления в некоторых районах все чаще решают за счет отходов лесопереработки. В дело идут сырая и влажная щепа, низкосортная древесина, опилки и другие виды древесного топлива.

Использование каждого из видов топлива требует специальной организации топочного процесса. Уголь, как правило, сжигается в виде кусков определенного размера подаваемых на неподвижную или механическую решетку. Через отверстия в решетке в слой поступает воздух, содержащий необходимый для горения кислород.

К твердому топливу, подаваемому на решетку, предъявляются специфические требования оно не должно иметь слишком крупных кусков и слишком мелких фракций (последние будут проваливаться через решетку или уноситься с продуктами горения). Поэтому для водогрейных котлов (особенно небольших, используемых в автономных системах теплоснабжения) поставляются сортированный уголь или специальные виды обработанного твердого топлива: брикеты, гранулы или пеллеты, приготовленные из древесных отходов.

Горение твердого топлива

Как известно, твердое топливо, кроме органической массы, содержит негорючие минеральные примеси. Поэтому после сгорания твердого топлива остаются очаговые остатки: шлак и зола. Следовательно, в конструкцию водогрейных котлов, рассчитанных на сжигание твердого топлива, должны быть заложены приспособления для сбора и периодического (а еще лучше - непрерывного) удаления очаговых остатков. Кроме того, крупные водогрейные котлы, устанавливаемые в промышленных котельных или в районных станциях теплоснабжения (РСТ), необходимо оборудовать эолоулавливающими аппаратами для очистки дымовых газов от содержащихся в них золовых частиц. В качестве таких золоуловителей могут использоваться батарейные циклоны, мокрые скрубберы, эмульгаторы, а в случае более жестких требований - электро- или тканевые фильтры.

В продуктах сгорания содержится некоторое количество водяных паров Н2О, источники которых - влага топлива (в торфе, например, ее содержание превышает 50 % по массе), влага, поступающая в котел вместе с воздухом, и, наконец, водород, присутствующий во всех видах топлива (но особенно много его в природном и попутных газах). При полном сгорании водород, как и положено, превращается в Н2О.

Если продукты сгорания покидают котел в виде дымовых газов при температуре, превышающей температуру точки росы, то КПД котла, разумеется, всегда будет меньше 100 %. Но если обеспечить конденсацию Н2О в дымовых газах (например, при снижении температуры газов за счет уменьшения температуры воды на входе в котел) можно дополнительно использовать скрытую теплоту парообразования.

Раньше создатели водогрейных котлов сознательно добивались того, чтобы пары воды не конденсировались, а покидали котел в газообразном виде. Дело в том, что конденсат водяных паров для обычных котлов отнюдь не безвреден за счет растворения в нем диоксида углерода СО, образуется агрессивная среда, вызывающая интенсивную межкристаллитную коррозию стали, из которой изготавливали поверхности нагрева. Особенно возрастает опасность коррозии в случае использования серосодержащих топлив, когда в продуктах сгорания содержатся оксиды серы.

Но в 90-х гг прошлого века разработчики отопительных котлов решили воспользоваться достижениями металлургов, которые к тому времени создали коррозионно-стойкие легкие сплавы и нержавеющую сталь. Ими были произведены водогрейные котлы с конденсацией водяных паров, что позволило полезно использовать скрытую теплоту парообразования. Благодаря этому теплоислопьзование в новых котлах существенно увеличилось, и в лучших образцах конденсатных котлов удалось приблизиться к максимально возможному повышению КПД, которое при сжигании природного газа составляет 10,72 %, а при сжигании солярки - 5,95 %.

Литература

Беликов С.Е. Водозабор // Теоретические основы = Бытовые отопительные котлы / Под ред. Беликов С.Е. — М.: Аква-Терм, 2008. — С. 6-9. — 352 с. — ISBN 5-902561-07-8 (978-5-902561-07-1)

Ссылки

Личные инструменты

Уважаемые участники проекта ТеплоВики!

Из соображений безопасности изменена система регистрации новых пользователей. Теперь, во время регистрации, вам нужно будет заполнить данную форму (все поля обязательны для заполнения) и подать запрос на регистрацию. Администрация сайта проверит вашу заявку и вам на e-mail придет письмо с подтверждением регистрации и данными для входа. При первом входе временный пароль рекомендуется изменить.

С уважением, администрация ТеплоВики!

Ваше реальное имя: *
Желаемый логин в системе: *
Номер телефона для связи: *
Ваш email: *

Ваши данные успешно отправлены администрации ТеплоВики. После проверки ваших данных, Вы будете зарегистрированы и получите письмо с временным паролем для входа.

Пространства имён
Варианты
Действия
Навигация
Инструкции
Инструменты
Печать/экспорт

Реклама